더 가까워진 양자 네트워크 현실화··· 3개 국가 연구진, 양자 중계기용 신기술 발표

기존 광섬유를 사용해 얽힌 양성자(entangled protons)를 전송하는 안전한 양자 네트워크가 현실화에 한층 더 가까워졌다. 

미국 보스턴, 중국, 네덜란드의 각기 세 팀이 양자 중계기를 구축하는 데 중요한 단계인 얽힌 광자를 얽힘 상태의 파괴 없이 저장하는 방법을 알아냈으며, 이를 통해 확장 가능한 양자 네트워크를 구축할 수 있게 되었다고 거의 동시에 발표했다.

보스턴 연구팀은 다이아몬드 칩에 삽입된 실리콘 원자를 사용했다. 네덜란드의 연구팀도 다이아몬드 결정을 사용했지만 실리콘 대신 질소 원자를 사용했다. 그리고 중국 팀은 루비듐 원자 구름(clouds of rubidium atoms)을 사용했다. 미국과 중국 팀은 모두 이번 달 네이처에 논문을 게재했으며, 네덜란드 연구는 프리프린트 단계로 공개됐다.

이번 연구가 중요한 이유로는 두 가지가 있다. 첫째, 실제로 안전한 양자 네트워크에 더 가까워졌다는 점이다. 둘째, 중국이 오랫동안 상당한 우위를 점하고 있던 양자 네트워킹 분야에서 드디어 경쟁이 시작됐다는 것이다.

지난달 발표된 맥킨지 보고서에 따르면, 중국은 양자 기술에 대한 공공 투자가 총 150억 달러가 넘는 등 양자 기술 투자에서 크게 앞서 있다. 미국은 38억 달러에 불과해 한참 뒤처져 있는 상태다.

특히 양자 네트워크 규모 면에서 중국은 두드러진다. 중국은 2021년에 베이징, 허페이, 상하이 사이에 4,600킬로미터의 네트워크를 구축했는데, 이는 다른 지역의 네트워크보다 훨씬 더 큰 규모다. 2023년 말에는 모스크바와 3,800킬로미터 거리의 안전한 양자 연결을 시연했다고 사우스차이나모닝포스트가 보도한 바 있다.

그러나 기존 광섬유를 사용하여 양성자를 전송할 경우 전송 가능 거리에 한계가 있다. 거리가 멀어지면 광섬유의 잡음으로 인한 광자 손실이 기하급수적으로 증가한다고 AWS 양자 네트워킹 센터의 수석 연구 과학자이자 책임자인 미히르 바스카르(Mihir Bhaskar)는 설명했다. 실험실 조건에서 이상적인 광섬유를 사용하더라도 단일 홉 이동 거리는 40~50킬로미터에서 정점을 찍는다고 그는 덧붙였다.

바스카르에 따르면 중국의 4,600킬로미터 네트워크는 신뢰할 수 있는 노드를 사용하여 더 먼 거리를 연결한다. 이는 매 구간마다 얽힘이 끊어진다는 의미다. 중국은 또한 광자가 빈 공간에서 매우 멀리 이동할 수 있는 점을 이용하기 위해 위성 통신을 사용한다.

바스카르는 지금까지 기존 인프라를 사용하는 확장 가능하고 안전한 양자 네트워크는 불가능했다고 설명하며 "어떤 종류의 광섬유에서도 작동할 수 있는 기술을 모색하고자 했다"라고 말했다.

이상적인 상황은 표준 상용 광섬유를 따라 광자를 전송할 수 있고, 그 과정에서 얽힘을 끊지 않고 광자를 통과하는 중계기가 있는 것이다. 그리고 이제 이 문제가 적어도 연구 단계에서 해결된 셈이다.

보스턴 프로젝트에서 하버드 대학교와 AWS 양자 네트워킹 센터의 연구원들은 보스턴 인근에서 35킬로미터에 달하는 상용 광섬유를 사용해 얽힌 양성자를 전송하는 데 성공했다. 연구진은 다이아몬드 칩에 내장된 단일 실리콘 원자를 사용하여 얽힌 광자를 최대 1초 동안 저장한 후 다음 여정에서 전달했다. 

이 칩은 광자를 증폭시키지는 않지만(그렇게 하면 얽힘이 끊어질 수 있기 때문에) 긴 여정을 짧고 더 실행 가능한 홉으로 나눈다. 바스카르는 "이를 메모리에 저장한다. 이는 연결이 가능할 때까지 기다리는 버퍼 역할을 한다"라고 설명했다. 하지만 이 기술이 상용화되려면 아직 5~10년은 더 남았다고 그는 덧붙였다.

상용화를 막는 문제로는 3가지 있다. 먼저 각 양자 중계기가 과냉각되어야 하기에 대형 냉장고 크기 정도라는 점이다. 이로 인해 아직은 상업적 배포에 실용적이지 않다.

둘째, 중계기는 현재 한 번에 하나의 광자만 처리할 수 있다. 실제 배포를 위해서는 각 중계기가 한 번에 여러 개의 얽힌 광자를 처리해야 한다. "목표는 다이아몬드 칩에 많은 메모리를 저장할 수 있도록 확장하는 것이다. 그러면 많은 엔지니어링 대역폭을 지원할 수 있다"라고 바스카르는 말했다. 

마지막으로 비즈니스 수요라는 문제가 있다. 양자 네트워크의 단기적인 사용 사례에는 크게 두 가지가 있다. 첫 번째 사용 사례는 암호화 키를 전송하는 것이다. 

현재 인터넷 트래픽을 보호하는 데 사용되는 공개 키 암호화가 양자 컴퓨터에 의해 곧 깨질 수 있다. 동일한 키를 사용하여 메시지를 암호화하고 해독하는 대칭 암호화는 미래에 대비할 수 있지만, 상대방에게 키를 전달할 방법이 필요하다. 양자 키 분배는 안전한 양자 네트워크를 사용해 키를 전송한 다음, 기존 방식으로 통신 본문을 전송한다. 양자 네트워크는 가까운 미래에 상당한 양의 트래픽을 전송할 수 있을 만큼 충분한 용량을 갖추지는 못할 것으로 예상되지만, 키만 전송하는 데 양자 네트워크의 사용은 정부 또는 금융 통신에 실용적으로 적용될 수 있다.

하지만 현재 암호화 기술은 충분히 우수하기 때문에 기업들이 당장 안전한 양자 네트워크를 찾아야 할 필요가 희박하다. 또한 양자 방어를 위한 암호화 알고리즘을 만드는 데 이미 진전이 이루어지고 있다.

양자 네트워크의 또 다른 용도는 여러 양자 컴퓨터의 연결이다. 양자 네트워크는 얽힌 광자를 전송하기 때문에 이렇게 연결된 컴퓨터도 얽히게 되어 이론적으로는 하나의 컴퓨터처럼 작동하는 클러스터형 양자 컴퓨터를 만들 수 있다.

AWS의 양자 하드웨어 디렉터인 오스카 페인터는 "양자 중계기를 병렬화하여 양자 컴퓨터 간에 매우 높은 연결성을 제공하려는 시도가 있다. 또는 클라우드 내의 양자 컴퓨터가 수행하는 계산에 대해 비공개 액세스를 제공할 수도 있다"라고 말했다.

하지만 아직 상업적으로 유용한 양자 컴퓨터가 시장에 출시되지 않았기 때문에 양자 컴퓨터를 서로 연결하거나 고객과 연결할 수요가 많지 않다. 페인터는 "양자 컴퓨팅 하드웨어를 구축하기 위해 내부적으로 노력하고 있다. 그리고 이러한 양자 리피터와 같은 양자 네트워킹 솔루션을 개발 중이다. 하지만 이 두 가지 모두 현재로서는 연구 개발 프로젝트이며, 이러한 기술이 실용화되어 고객에게 제공할 수 있기까지는 몇 년이 걸릴 것으로 예상된다"라고 말했다.

하지만 그 날이 오면 기존 광섬유 네트워크를 활용할 수 있는 것이 중요하다는 설명이다. 

"다양한 종류의 양자 네트워크가 구축된 바 있지만 기존 인프라와 호환될 수 있음이 입증된 적은 이번이 처음이다. 이번 진전에서 새로운 점은 이것이 가능해졌다는 것이다. 장거리, 글로벌 규모, 실제 데이터센터에서 이러한 작업을 어떻게 수행할 것인지에 대해 새롭게 생각할 수 있게 됐다”라고 바스카르는 말했다. ciokr@idg.co.kr